本實(shí)用新型屬于空氣動力學(xué)模型技術(shù)領(lǐng)域,具體的為一種帶剛度可調(diào)節(jié)U型彈簧片的圓管輸電塔氣彈性模型。
背景技術(shù):
輸電塔氣彈性模型用于輸電塔線體系的氣彈性風(fēng)洞試驗(yàn),氣彈性模型剛度模擬通常有2種方法:集中剛度法和離散剛度法。集中剛度法要求模型各桿件既做到剛度相似又做到幾何相似。由于輸電塔為質(zhì)量較輕剛度較大的格構(gòu)式塔架,在滿足剛度相似的條件下設(shè)計出的“芯梁”截面較大,會對整個鐵塔的擋風(fēng)面積產(chǎn)生較大的影響,而通常用于制作“外衣”的ABS塑料板在滿足質(zhì)量相似的情況下,桿件將非常纖薄,無法滿足剛性“外衣”的要求,從而導(dǎo)致氣彈試驗(yàn)結(jié)果的不準(zhǔn)確。而按照離散剛度法的要求制作的模型很難保證在各個桿件剛度和幾何尺寸相似的情況下做到模型的整體剛度和質(zhì)量的嚴(yán)格相似。因此,采用這2種方法制作輸電塔氣彈模型的難度較大,也很難保證其滿足氣彈性風(fēng)洞試驗(yàn)的要求。針對輸電塔的結(jié)構(gòu)特點(diǎn),采用塔架節(jié)段加“U”型彈簧片制作鐵塔的氣彈性模型。
傳統(tǒng)的“U”型彈簧片設(shè)計采用的是節(jié)段模型外粘貼“U”型彈簧片形成模型整體。如果運(yùn)輸前彈簧片已經(jīng)粘貼好了,運(yùn)輸期間粘貼部分的薄弱環(huán)節(jié)容易損壞,并且模型體積大時不利于運(yùn)輸。如果運(yùn)輸后在實(shí)驗(yàn)室粘貼拼裝,形成牢固整體,這將會占用實(shí)驗(yàn)時間。并且每個塔架截斷處的彈簧片厚度、長度和寬度規(guī)格一樣,這樣的設(shè)計不能滿足格構(gòu)式變截面圓形鋼管輸電塔對模型剛度和振型的需求,從而得到的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)不能貼近于實(shí)際情況。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素:
有鑒于此,本實(shí)用新型的目的在于提供一種帶剛度可調(diào)節(jié)U型彈簧片的圓管輸電塔氣彈性模型,不僅具有制作工藝簡單、成本低和方便運(yùn)輸組裝的優(yōu)點(diǎn),而且能夠滿足格構(gòu)式變截面圓形鋼管輸電塔對模型剛度和振型的需求,提高實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的精準(zhǔn)度。
為達(dá)到上述目的,本實(shí)用新型提供如下技術(shù)方案:
一種帶剛度可調(diào)節(jié)U型彈簧片的圓管輸電塔氣彈性模型,包括塔身模型,所述塔身模型包括塔柱,所述塔柱之間設(shè)有水平支撐桿和斜支撐桿,采用多個水平截面將所述塔身模型截斷,所述塔柱被每一個所述水平截面截斷的位置處設(shè)有彈簧片連接結(jié)構(gòu),所述彈簧片連接結(jié)構(gòu)包括分別安裝在所述塔柱被所述水平截面截斷斷口兩端的接頭,兩個所述接頭之間設(shè)有安裝位置可調(diào)節(jié)的U型彈簧片,且所述U型彈簧片的兩側(cè)面分別安裝在兩個所述接頭相向的端面上;被同一個所述水平截面截斷的所有的所述塔柱的斷口位置處安裝的所述U型彈簧片的槽口開口方向均指向所述塔身模型在該水平截面上的幾何中心。
進(jìn)一步,所述接頭包括用于插裝在對應(yīng)的所述塔柱斷口內(nèi)的小徑段和位于所述斷口外的大徑段。
進(jìn)一步,所述小徑段的外徑小于對應(yīng)的所述塔柱斷口處的內(nèi)徑0.03mm,所述大徑段的外徑大于對應(yīng)的所述塔柱斷口處的內(nèi)徑5mm,且所述小徑段和大徑段的長度均為1cm。
進(jìn)一步,所述大徑段的端面上設(shè)有寬度與對應(yīng)的所述U型彈簧片的寬度相等的矩形槽,所述U型彈簧片的兩側(cè)面分別安裝在對應(yīng)的兩個所述接頭的矩形槽內(nèi)。
進(jìn)一步,所述矩形槽的深度為5mm。
進(jìn)一步,所述矩形槽的側(cè)壁上設(shè)有螺孔,所述螺孔內(nèi)設(shè)有用于固定所述U型彈簧片的螺釘或螺栓。
進(jìn)一步,所述矩形槽的兩側(cè)側(cè)壁上分別對應(yīng)設(shè)有兩個螺孔。
進(jìn)一步,U型彈簧片在其橫截面上的抗剪剛度A0為:
E0A0=E0bt
其中,E0為U型彈簧片的彈性模量;b為“U”型彈簧片寬度;t為U型彈簧片厚度;
在該U型彈簧片安裝位置處的所述塔柱的抗剪剛度A為:
其中,E為塔柱在該U型彈簧片安裝位置處的彈性模量;D為塔柱在該U型彈簧片安裝位置處的外徑;d為塔柱在該U型彈簧片安裝位置處的內(nèi)徑;令
E0A0=EA
可得到該U型彈簧片的寬度為:
如此,即可計算得到被每一個所述水平截面截斷的所述塔柱斷口位置處安裝的所述U型彈簧片的寬度。
進(jìn)一步,將所述水平截面按照從下至上的方向依次記為水平截面G1,水平截面G2,······,水平截面Gn,并在塔身模型的頂端模擬設(shè)置一個水平截面Gn+1,對應(yīng)的,被水平截面Gi截斷的所述塔柱斷口位置處安裝的所述U型彈簧片記為彈簧片Ui,其中,i=1,2,······,n;
則被水平截面G1截斷的所述塔柱斷口位置處安裝的所述彈簧片U1的懸臂長度的計算方法為:
1)利用有限元分析得到單位水平作用力作用在水平截面G2與所述塔身相交的位置處時,完全氣彈性的所述塔身模型的塔頂產(chǎn)生的側(cè)向位移Y1;
2)作用在水平截面G2與所述塔身相交的位置處的單位水平作用力在彈簧片U1位置處引起的外力矩M21為:
M21=1×l12
其中,1為單位水平作用力,l12為水平截面G1和水平截面G2之間的間距;
對應(yīng)的,彈簧片U1自身產(chǎn)生的抵抗彎矩M12為:
M12=∑F12l1
其中,F(xiàn)12為所述接頭作用到彈簧片U1上的軸向力,l1為彈簧片U1受到的軸向力矩離其旋轉(zhuǎn)軸線的距離,該旋轉(zhuǎn)軸線即為被水平截面G1截斷的兩段塔身模型中,位于上方的一段塔身模型相對于位于下方的一段塔身模型傾斜旋轉(zhuǎn)的旋轉(zhuǎn)軸線;令
M21=M12
則,
根據(jù)懸臂梁撓度計算公式得到彈簧片U1受到對應(yīng)的接頭傳遞軸力后,該對應(yīng)的兩個接頭之間產(chǎn)生的撓度ω1為:
其中,L1為彈簧片U1受到的軸向力的作用點(diǎn)到其固定端的距離,即為彈簧片U1的有效受力懸臂長度,所述固定端即為彈簧片U1所形成的U型槽槽底的最低點(diǎn)位置;
I1為彈簧片U1橫截面相對于其水平形心軸的慣性矩;
E1為彈簧片U1的彈性模量;
b1為彈簧片U1的寬度;
t1為彈簧片U1的厚度;
由于位于所述旋轉(zhuǎn)軸線一側(cè)的彈簧片U1被壓縮,另一側(cè)的彈簧片U1被拉伸,因此產(chǎn)生的傾斜導(dǎo)致塔身模型的塔頂產(chǎn)生的側(cè)向位移y21為:
其中,H1為彈簧片U1至塔身模型的塔頂?shù)呢Q直距離;
3)令y21=Y(jié)1,則可計算得到彈簧片U1的懸臂長度L1;
同理,被水平截面Gi截斷的所述塔柱斷口位置處安裝的所述彈簧片Ui的懸臂長度Li的計算方法為:
1)利用有限元分析得到單位水平作用力作用在水平截面Gi+1與所述塔身相交的位置處時,完全氣彈性的所述塔身模型的塔頂產(chǎn)生的側(cè)向位移Yi;
2)分別計算出彈簧片U1、彈簧片U2······、彈簧片Ui的撓度導(dǎo)致所述塔身模型的塔頂產(chǎn)生的側(cè)向位移y(i+1)1、y(i+1)2、······、y(i+1)i,
3)令:y(i+1)1+y(i+1)2+······+y(i+1)i=Y(jié)i,則可計算得到彈簧片Ui的懸臂長度Li。
本實(shí)用新型的有益效果在于:
本實(shí)用新型帶剛度可調(diào)節(jié)U型彈簧片的圓管輸電塔氣彈性模型,一方面,利用水平截面將塔柱截斷為多段,并在塔柱斷口處用接頭和U型彈簧片相連,如此,即可方便地將塔柱分段運(yùn)輸再組裝,具有結(jié)構(gòu)簡單、制作方便和便于運(yùn)輸組裝的優(yōu)點(diǎn);通過將U型彈簧片的安裝位置設(shè)置為可調(diào)節(jié),使得塔身模型的剛度可調(diào),更貼近于計算的模型剛度,當(dāng)模型節(jié)段數(shù)增加時,還可以滿足振型需求,即在頻率、剛度和振型滿足的情況前,塔身模型能夠反映出實(shí)際物體的靜力與動力響應(yīng),提高實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的精準(zhǔn)度。
附圖說明
為了使本實(shí)用新型的目的、技術(shù)方案和有益效果更加清楚,本實(shí)用新型提供如下附圖進(jìn)行說明:
圖1為本實(shí)用新型帶剛度可調(diào)節(jié)U型彈簧片的圓管輸電塔氣彈性模型實(shí)施例的結(jié)構(gòu)示意圖;
圖2為U型彈簧片的結(jié)構(gòu)示意圖;
圖3為圖2的俯視圖;
圖4為接頭的結(jié)構(gòu)示意圖;
圖5為圖4的俯視圖;
圖6為U型彈簧片與接頭之間的裝配圖;
圖7為U型彈簧片懸臂長度計算模型的模型圖;
圖8為被水平截面截斷的兩端塔身中,位于上方的一段塔身相對于位于下方的一段塔身傾斜旋轉(zhuǎn)時的轉(zhuǎn)軸的位置示意圖;
圖9為U型彈簧片橫截面水平形心軸的位置示意圖。
具體實(shí)施方式
下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施例對本實(shí)用新型作進(jìn)一步說明,以使本領(lǐng)域的技術(shù)人員可以更好的理解本實(shí)用新型并能予以實(shí)施,但所舉實(shí)施例不作為對本實(shí)用新型的限定。
如圖1所示,為本實(shí)用新型帶剛度可調(diào)節(jié)U型彈簧片的圓管輸電塔氣彈性模型實(shí)施例的結(jié)構(gòu)示意圖。本實(shí)施例的帶剛度可調(diào)節(jié)U型彈簧片的圓管輸電塔氣彈性模型,包括塔身模型1,塔身模型1包括塔柱2,塔柱2之間設(shè)有水平支撐桿3和斜支撐桿4,采用多個水平截面5將塔身模型1截斷,塔柱2被每一個水平截面截斷的位置處設(shè)有彈簧片連接結(jié)構(gòu)。本實(shí)施例的彈簧片連接結(jié)構(gòu)包括分別安裝在塔柱2被水平截面5截斷斷口兩端的接頭6,兩個接頭6之間設(shè)有安裝位置可調(diào)節(jié)的U型彈簧片7,且U型彈簧片7的兩側(cè)面分別安裝在兩個接頭6相向的端面上。被同一個水平截面5截斷的所有的塔柱的斷口位置處安裝的U型彈簧片7的槽口7a開口方向均指向塔身模型1在該水平截面上的幾何中心。本實(shí)施例共采用8個水平截面5將塔身模型1截斷為9段。
進(jìn)一步,本實(shí)施例的接頭6包括用于插裝在對應(yīng)的塔柱2斷口內(nèi)的小徑段6a和位于斷口外的大徑段6b。本實(shí)施例的小徑段6a的外徑小于對應(yīng)的塔柱2斷口處的內(nèi)徑0.03mm,大徑段6b的外徑大于對應(yīng)的塔柱2斷口處的內(nèi)徑5mm,且小徑段6a和大徑段6b的長度均為1cm。大徑段6b的端面上設(shè)有寬度與對應(yīng)的U型彈簧片7的寬度相等的矩形槽6c,U型彈簧片7的兩側(cè)面分別安裝在對應(yīng)的兩個接頭6的矩形槽6c內(nèi),本實(shí)施例的矩形槽6c的深度設(shè)置為5mm。矩形槽6c的側(cè)壁上設(shè)有螺孔6d,螺孔6d內(nèi)設(shè)有用于固定U型彈簧片7的螺釘或螺栓。矩形槽6c的兩側(cè)側(cè)壁上分別對應(yīng)設(shè)有兩個螺孔6d,且螺孔6d與M2螺釘配合。
進(jìn)一步,U型彈簧片7在其橫截面上的抗剪剛度A0為:
E0A0=E0bt
其中,E0為U型彈簧片的彈性模量;b為“U”型彈簧片寬度;t為U型彈簧片厚度;
在該U型彈簧片安裝位置處的塔柱的抗剪剛度A為:
其中,E為塔柱在該U型彈簧片安裝位置處的彈性模量;D為塔柱在該U型彈簧片安裝位置處的外徑;d為塔柱在該U型彈簧片安裝位置處的內(nèi)徑;令
E0A0=EA
可得到該U型彈簧片的寬度為:
如此,即可計算得到被每一個水平截面截斷的塔柱斷口位置處安裝的U型彈簧片的寬度。
進(jìn)一步,將水平截面按照從下至上的方向依次記為水平截面G1,水平截面G2,······,水平截面Gn,并在塔身模型的頂端模擬設(shè)置一個水平截面Gn+1,水平截面Gn+1,與塔身模型頂端相交但不截斷塔身模型,不設(shè)置U型彈簧片;對應(yīng)的,被水平截面Gi截斷的塔柱斷口位置處安裝的U型彈簧片記為彈簧片Ui,其中,i=1,2,······,n;如圖6所示。
則被水平截面G1截斷的塔柱斷口位置處安裝的彈簧片U1的懸臂長度的計算方法為:
1)利用有限元分析得到單位水平作用力作用在水平截面G2與塔身相交的位置處時,完全氣彈性的塔身模型的塔頂產(chǎn)生的側(cè)向位移Y1;
2)作用在水平截面G2與塔身相交的位置處的單位水平作用力在彈簧片U1位置處引起的外力矩M21為:
M21=1×l12
其中,1為單位水平作用力,l12為水平截面G1和水平截面G2之間的間距;
對應(yīng)的,彈簧片U1自身產(chǎn)生的抵抗彎矩M12為:
M12=∑F12l1
其中,F(xiàn)12為接頭作用到彈簧片U1上的軸向力,l1為為彈簧片U1受到的軸向力矩離其旋轉(zhuǎn)軸線的距離,該旋轉(zhuǎn)軸線即為被水平截面G1截斷的兩段塔身模型中,位于上方的一段塔身模型相對于位于下方的一段塔身模型傾斜旋轉(zhuǎn)的旋轉(zhuǎn)軸線,如圖8所示;令
M21=M12
則,
根據(jù)懸臂梁撓度計算公式得到彈簧片U1受到對應(yīng)的接頭傳遞軸力后,該對應(yīng)的兩個接頭之間產(chǎn)生的撓度ω1為:
其中,L1為彈簧片U1受到的軸向力的作用點(diǎn)到其固定端的距離,即為彈簧片U1的有效受力懸臂長度,所述固定端即為彈簧片U1所形成的U型槽槽底的最低點(diǎn)位置;
I1為彈簧片U1橫截面相對于其水平形心軸的慣性矩,如圖9所示;
E1為彈簧片U1的彈性模量;
b1為彈簧片U1的寬度;
t1為彈簧片U1的厚度;
由于彈簧片U1一側(cè)被壓縮,一側(cè)被拉伸,因此產(chǎn)生的傾斜導(dǎo)致塔身模型的塔頂產(chǎn)生的側(cè)向位移y21為:
其中,H1為彈簧片U1至塔身模型的塔頂?shù)呢Q直距離;
3)令y21=Y(jié)1,則可計算得到彈簧片U1的懸臂長度L1;
同理,被水平截面Gi截斷的塔柱斷口位置處安裝的彈簧片Ui的懸臂長度Li的計算方法為:
1)利用有限元分析得到單位水平作用力作用在水平截面Gi+1與塔身相交的位置處時,完全氣彈性的塔身模型的塔頂產(chǎn)生的側(cè)向位移Yi;
2)分別計算出彈簧片U1、彈簧片U2······、彈簧片Ui的撓度導(dǎo)致塔身模型的塔頂產(chǎn)生的側(cè)向位移y(i+1)1、y(i+1)2、······、y(i+1)i,
3)令:y(i+1)1+y(i+1)2+······+y(i+1)i=Y(jié)i,則可計算得到彈簧片Ui的懸臂長度Li。
以上所述實(shí)施例僅是為充分說明本實(shí)用新型而所舉的較佳的實(shí)施例,本實(shí)用新型的保護(hù)范圍不限于此。本技術(shù)領(lǐng)域的技術(shù)人員在本實(shí)用新型基礎(chǔ)上所作的等同替代或變換,均在本實(shí)用新型的保護(hù)范圍之內(nèi)。本實(shí)用新型的保護(hù)范圍以權(quán)利要求書為準(zhǔn)。